基于数字孪生理念的跨海桥梁智能维养系统架构研究_夏子立.pdf

公路 年月第期 基金项目：国家重点研发计划项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：基于数字孪生理念的跨海桥梁智能维养系统架构研究夏子立，景强，孙守旺，钟华强，高文博（港珠澳大桥管理局珠海市 ；华南理工大学土木与交通学院广州市 ；云基智慧工程股份有限公司深圳市 ）摘要：桥梁维养系统是实现桥梁高效管养的重要技术手段，智能化运维已成为桥梁管养模式发展的必然趋势，数字孪生技术是实现桥梁数字化、智能化维养的关键技术之一。跨海桥梁由于其工程规模、结构特点及所处区域的特殊性，对桥梁维养工作的要求更高。面向跨海桥梁工程的维养需求，设计了跨海桥梁智能维养系统的总体架构、业务架构、应用架构、数据架构以及技术架构。其中，总体架构由基础层、平台层、应用层以及数据标准、数据安全构成；业务架构按照感知、认知、决策、行动的业务运转模式进行设计；应用架构以业务架构为基础，包括资产管理和业务在线两方面；基于业务架构、应用架构，梳理了系统的数据逻辑链路，形成系统数据架构；技术架构是实现应用架构的技术方案，包含数据采集、数据传输、数据管理、分析处理以及可视化技术个层级。实践证明，本研究设计的系统架构为港珠澳大桥智能维养系统研发提供了技术支撑，可为其他同类型项目的维养系统研究提供参考。关键词：桥梁工程；智能维养系统；架构设计；数字孪生技术研究背景随着我国桥梁建造技术的突破以及经济快速的发展，越来越多的跨海大桥工程得以建设实施，桥梁建养工作也逐步由“重建轻养”转变为“建养并重”。桥梁维养系统是实现桥梁高效管养的重要技术手段，世界各国（地区）对此进行了持续的探索和研究，逐步研发并不断完善系统的功能及应用。总体来看，桥梁管理系统的研究与发展主要经过 个阶段：第一阶段是用电子数据库来代替繁杂的纸质资料，提高桥梁数据的存储及查询效率；第二阶段是丰富数据的采集类型，可进行简单的结构评估及分析预测；第三阶段是增加结构仿真分析、维养决策及资金优化功能，可对桥梁进行技术状况评估，制订维养策略及养护资金优化方案等。当前，欧美等发达国家（地区）的研发工作已处在第三阶段，我国正处于由第二阶段向第三阶段前进的路上。美国应用广泛的桥梁管理系统主要有“”，、“”，系统。欧 洲 具 有 代 表 性 桥 梁 管 理 系 统 有 丹 麦 的“”、法 国 的“”、英 国 的“”以及挪威的“”系统等。我国最具有代表性的公路桥梁管理系统是“”，经过多年的迭代升级，其系统功能越来越完善，广泛应用于国内的公路管理部门。随着技术的发展，桥梁管理系统的研究正在融合物联网、人工智能以及大数据等技术，以期提高桥梁运维数据的感知精度与效率，打通维养业务的全流程数据链，充分挖掘数据价值，推动管养向“资产化管理”方向发展。例如，丹麦大贝尔特桥，的管理系统引入无人机等感知手段，建立桥梁的“数字孪生”模型，利用深度学习技术处理非结构化数据，提升业务数据的资产化水平；韩国第二 桥 基于 模型实现资产数据、检查数据及养护数据的统一管理，所构建的三维模型可映射病害信息，呈现方式直观清晰。另外，等 提出利用 模型管理结构维养数据、剩余寿命及价值信息的系统框架，并在韩国某桥的管养业务中得以成功应用。可见，融合物联网、等技术构建桥梁的数字孪生模型，在此基础上实现桥梁管养数字化、智能化，是桥梁运维技术发展的必然趋势。“数字孪生”技术最初主要应用于军工及航空航天领 域，并 在 欧 美 航 空 航 天 项 目 中 得 到 实 际 应用，其本质是实现物理实体在数字空间的精准映射，以数据为驱动实现物理世界和数字世界的互联互通以及操作控制。中国信息通信研究院，提出，数字孪生城市的建设应综合利用新型测绘、标识感知、协同计算、全要素表达、模拟仿真及深度学习的关键技术，形成具备九大核心能力的数字孪生城市体系。数字孪生从技术到能力实现，已经不仅仅是创新理念和技术方案，而是新型管理模式发展的必由之路。在桥梁运维领域，可通过建立桥梁数字孪生模型，管理全生命周期范围内的静、动态业务数据，为桥梁运维技术人员提供决策依据，实现桥梁管养数字化与智能化。目前，智能路面、交通信息物理系统、公路基础设施综合信息管理系统 等智慧交通技术的研究如火如荼，其核心要义是以多元的感知方式、异构数据的处理能力及数据共享能力实现交通设施管理智慧化，上述技术是数字孪生的基础之一。虽然数字孪生理念在交通行业有所应用，但在跨海桥梁全生命周期维养方面的应用深度仍有待提升。本研究以港珠澳大桥为研究对象，针对大桥运营期检测、监测、评估及养护决策等维养业务的需求，基于数字孪生理念提出跨海桥梁维养系统架构，为港珠澳大桥智能维养系统的研发提供支撑。跨海桥梁智能维养系统功能需求分析桥梁维养工作主要包含日常巡检、定期检查、结构监测、结构评估、保养维修等业务。跨海桥梁工程规模庞大、服役环境严酷，其维养工作存在监测感知能力不足、检测维养作业风险和成本高、结构评估及维养决策水平有待提升等问题。此外，跨海桥梁在设计、建设过程中积累了大量基础性资料，包括勘察、设计、施工、监控以及各种试验资料，主要以纸质或电子资料的形式存在，各类数据之间的关联度低，资料查阅及使用效率低，难以高效支撑运维业务开展。进入营运期，大桥持续产生并积累海量的多元异构数据，如大桥结构健康监测系统实时采集并存储海量监测数据，桥梁交通工程系统同样积累了大量运行数据，此外大桥的维养作业亦产生大量的数据报表、文本、图片以及视频等非结构化数据。由于各信息化系统独立运行，桥梁运维业务独立开展，导致数据分散且关联度低，数据价值难以挖掘。基于上述桥梁运维业务特点及数据管理需求，以数字孪生的关键技术为基础，桥梁智能维养系统的功能目标设定如下。（）基于 、实景三维建模等技术构建桥梁数字模型，赋予物理桥梁数字身份信息。结合维养业务需求对桥梁进行结构解析，构建桥梁构件编码体系，并对所有构件进行编码，实现物理构件与模型构件的一一对应，实现孪生映射。此外，将桥梁设计及建造过程中产生的静态信息录入桥梁数字模型，实现“孪生模型”的数据初始化。（）接入跨海桥梁运行动态数据，实现数字桥梁全方位泛在感知。综合桥梁结构健康监测系统、机电设施监控系统产生的海量数据及桥梁日常巡检、定期检查、应急检查等业务执行过程中产生的数据，配合利用无人机、无人船等智能装备反馈的检测数据，为桥梁结构的预警、评估及维养决策等应用提供数据支撑。通过长期的数据积累，分析桥梁病害及服役状态的动态变化。（）对运维数据进行统一管理，实现海量数据的时空融合与分析。构建数据统一管理平台，对处于同一时间、临近空间或关联空间的多源数据进行融合分析，提取潜在的数据相关性或演变规律，为跨海桥梁设施运维业务提供更为精准、高效的指导，为数据价值挖掘提供基础。（）对跨海桥梁的运行状况进行仿真评估，推演跨海桥梁设施运行态势。运用有限元分析、多物理场耦合仿真等技术，建立跨海桥梁设施的多粒度、多层级仿真模型，获取桥梁运行的状态参数，将获取的信息输出到物理空间，通过数据和知识联合驱动共同推演跨海桥梁设施的运行态势，为桥梁运维提供决策依据。（）以智能算法提升异构数据处理能力，挖掘数据深层特征。人工智能算法可实现海量数据的结构化处理，如管养业务生成的海量视频、图像、文字等非结构化数据，可利用计算机视觉技术、知识图谱、自然语言处理等技术挖掘特征并形成结构化数据，满足标准化的数据交互要求。另外，智能算法具备学习及自适应能力，随着数据及知识的积累，可挖掘更深层的特征，进而指导维养业务、资源分配等，对系统建设和升级具有重要意义。跨海桥梁智能维养系统架构设计结合系统功能需求，基于数字孪生建设理念，构 公路 年第期 年第期夏子立等：基于数字孪生理念的跨海桥梁智能维养系统架构研究建系 统 总 体 架 构，在 总 体 架 构 的 基 础 上，参 考 标准，设计系统的业务、应用、数据和技术架构。其中，业务架构以跨海桥梁的维养需求为依据，建立集感知、评估、决策、维养与管理为一体的业务流程；应用架构以业务为参考，建立服务于管养业务的系统功能；数据架构描述业务的数据流向与逻辑，描述各功能模块的逻辑关系；技术架构为维养系统中数据采集、传输、管理、处理及可视化提供技术支持。系统总体架构跨海桥梁智能维养系统总体架构由基础层、平台层及应用层组成的三大横向层以及数据安全和数据标准两大纵向层构成，如图所示。其中，基础层包括基础设施对象、终端感知设备、网络连接设备以及智能计算设备等；平台层是数字孪生的能力中台，是系统的运行中枢，由物联感知平台、泛在网络与计算资源调度平台、大数据平台、信息模型平台、共性技术赋能与应用支撑平台组成；应用层包含桥梁设施的性能评估、性能预测、实时预警、应急处置、维养决策以及资源调配等功能；数据标准可规范不同业务间的数据交互格式，以统一的格式传输、存储各类业务数据，便于数据管理、交互及共享；数据安全功能可保障设施基础数据及业务数据的运行安全，避免出现系统安全漏洞。图智能维养系统总体架构平台层以基础层的设备为依托，为应用层提供各类平台服务，是系统运行的中心枢纽，其核心功能如下。（）物联感知平台。该平台是数字孪生的基础性支撑平台，主要功能是对桥梁设施及设备进行统一的数据接入、设备管理和反向操控，支撑各类技术赋能和应用服务，实现设备统筹管理和协同联动。平台兼容适配各类协议接口，接入、汇聚各类感知数据。（）泛在网络与计算资源调度平台。桥梁维养过程产生海量动态数据，且部分业务应用场景对实时性要求高。为保障计算资源的合理分配，通过泛在网络与计算资源调度平台结合分布式协同计算，汇集云边计算资源，高效合理调配算法、算力资源，确保桥梁数字孪生模型的精准构建和高效运行。（）大数据平台。大数据平台实现桥梁设施全域数据的汇集，与信息模型平台整合展现设施全貌和运行状态。其主要功能是对基础数据进行融合处理，对桥梁运维数据进行识别、标识以及关联，将处理后的数据关联到物理桥梁实体构件上，形成该构件的属性数据，并对外提供桥梁基础数据和业务数据。（）信息模型平台。信息模型平台是交通基础设施数字孪生的核心，是刻画设施细节、呈现变化趋势的综合信息载体，核心功能包括信息模型、实时数据呈现、应用场景渲染三大部分。其中信息模型是系统运行的核心载体；实时数据呈现功能可将实时数据映射至孪生模型；应用场景渲染可更直观地反映桥梁设施的服役状态。（）共性技术赋能与应用支撑平台。该平台是桥梁智能维养系统的“决策大脑”，为上层应用提供技术赋能和服务支撑。主要提供以下服务：一是关键共性技术，包括模拟仿真算法、机器学习算法等；二是应用开发服务，包括场景服务、数据更新和追踪服务、模拟仿真推演服务、自定义渲染服务；三是服务组件模块化封装集成，如针对基础设施的应用开发渲染服务、数据分离服务、设施模拟仿真服务等。系统业务架构业务架构是对业务需求的提炼和抽象，即在遵循一定的执行逻辑前提下对业务进行拆分，便于软件开发。为了满足跨海桥梁工程运营期的管养业务需求，本研究从感知、认知、决策、行动个维度，考虑不同角色的任务分配，明确业务的流向及界限，业务架构如图所示。图智能维养系统业务架构系统业务实施流程遵循数据感知、信息挖掘及知识形成的过程，最终为桥梁管理者做出维养决策提供支撑数据。各阶段业务理解如下。（）运行状态感知。感知阶段是驱动管养业务流转及数字孪生实现的基础，综合考虑跨海桥梁维养作业及结构监测特点，建立“检测监测结构属性数据”的感知框架，三者相辅相成，服务于桥梁管养工作。其中，检测工作由人工巡检、定期检查、应急检查以及无人化智能装备巡检（无人机、无人船、巡检机器人等）等方式完成；监测数据主要来源于桥梁结构健康系统采集的实时数据，以及桥梁视频监控数据。（）运行状态认知。桥梁日常巡检、定期检查等数据可用于结构技术状况评定，健康监测数据可作为结构实时预警、告警及结构状态评估的依据，结构属性数据可用于建立有限元模型。本研究在业务认知阶段建立不同粒度、不同维度的综合评估框架，集成基于多源数据的结构评定、评估结论，综合反映跨海桥梁工程的服役状况，提高结构评估的合理性、可靠性，通过对数据的深度挖掘形成知识，提供有价值的数据流。（）桥梁维养决策。在对桥梁运行状态进行综合评估的基础上，针对当前的结构服役状况给出合理的维养计划与中长期的规划方案。其目标是在预算范围内给出能使结构状态恢复到最优的维养措施集，以及对应措施的实施次序、时间，实现养护资源 公路 年第期 年第期夏子立等：基于数字孪生理念的跨海桥梁智能维养系统架构研究的最大化利用。针对中长期的维养规划需求，依据综合评估结论及构件性能退化情况，给出维养资金分配方案。从业务角度出发，设计桥梁维养决策流程如图所示。图决策阶段业务流程（）桥梁维养行动。在短期时间尺度上，将维养作业划分为种类型：一是针对检查发现的轻微病害，由养护工程师依据合同执行日常养护作业；二是针对检查发现的紧急病害或由监测发现的安全预警事件，由专家决策后，发送指令给养护工程师，执行应急养护工作；三是针对常规病害及早期病害经系统决策后，管理人员依据推荐的维养计划制定实施方案，发布执行维养措施的指令，养护工程师根据指令选择人工或智能装备的维养方式。在中长期维养时间尺度上，管理人员可参考系统推荐的维养规划方案，研究维养资金分配策略。系统应用架构应用架构以业务架构为基础，描述满足业务架构的系统应用的组成方式。该架构核心包括资产管理和业务在线两方面。其中，业务在线以检查应用、评定应用、决策应用、养护应用和管理应用为核心，如图所示。跨海桥梁维养系统的资产管理对象主要涉及人员、土建设施、机电设备及维养装备等，土建设施和机电设备通过 模型表达，将物理实体映射至数字空间，利用模型数据初始化提供基本属性信息。此外，建立维养装备管理台账，形成统一管理机制，及时掌握设备的基本信息和运行状态。另外，由各业务模块产生的数据亦是重要的资产，系统可利用数据中台将多元异构数据资产化。业务在线包含管理应用及维养核心业务应用，维养核心业务应用以业务架构为基础，建立检查、评定、决策及养护应用体系。管理应用包含合同管理、督查考核、计量支付以及系统管理等，用于管理维养业务的执行情况、文档及行政资料等，确保桥梁维养过程的闭环管理。图智能维养系统应用架构 系统数据架构系统业务架构决定其数据架构的形式，系统应用架构决定了系统运行所需要的数据。本研究通过建立标准知识库（构件库、检查库、病害库、措施库、定额库、验收库）指导维养业务，使桥梁维养业务流程专业化、标准化。桥梁维养作业数据、结构健康监测数据及桥梁静态结构数据共同构成系统数据源，为桥梁评估、决策业务提供基础数据。本研究设计的跨海桥梁维养系统数据架构如图所示。图智能维养系统数据架构 系统技术架构技术架构是实现应用架构的技术方案，因跨海桥梁养护业务量大、数据来源复杂，多元异构的海量数据管理及分析是需要解决的核心技术问题。技术架构分为数据采集、数据传输、数据管理、分析处理以及可视化技术个层级，本研究构建的系统技术架构如图所示。其中，数据采集及传输层实现桥梁巡检、检测、监测等数据的采集及传输，提供多种数据传输协议、中间件，针对实时数据采用消息队列的通信方式，同时引入边缘计算处理视频序列，提升数据传输效率；数据管理层针对不同的业务需求以及数据多元特征，引入关系数据库、图数据库、时序数据库以及列式数据库等，满足不同类型数据的存储需求；分析处理层提供统一 访问异构的数据库、消息队列、搜索引擎等数据存储，实现多业务系统数据层的互联互通，可为面向不同的业务需求提供数据交互方案；可视化层以大数据平台和信息模型平台为依托，建立“”的数字化模型，利用三维可视化及数据载体能力，将物理桥梁的实际运行状及数据信息映射至在数字孪生模型当中。应用案例 工程背景港珠澳大桥是连接粤港澳三地的大型跨海通道，是国家高速公路网中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程，是集桥、岛、隧于一体的特大型跨海通道。大桥历时 年规划与建设，于 年 月 日通车运营。大桥总长约 ，包含海中桥岛隧主体工程及香港、珠海口岸 的 连 接 线，其 中 海 中 桥 岛 隧 主 体 工 程 长 约 ，包括 桥梁工程及 岛隧工程，如图所示。大桥工程规模庞大，结构复杂、构件繁多，海中主体结构处于高温、高湿、高盐的海洋腐蚀环境。环境荷载和运营荷载的耦合作用，将加速其性能退化的进程，大桥全寿命周期的维护工作面临巨大挑战。运营伊始，针对大桥的维养需求研发数字化桥梁维养系统，可为大桥 年的维养管理提供技术支撑。公路 年第期 年第期夏子立等：基于数字孪生理念的跨海桥梁智能维养系统架构研究图智能维养系统技术架构图港珠澳大桥平面示意 应用示例本研究设计的跨海桥梁智能维养系统架构在港珠澳大桥维养管理系统的研发工作中得到初步应用。港珠澳大桥维养管理系统目前正在研发当中，基于桥梁构件编码体系，系统构建了基于“”的桥梁三维数字模型，实现了桥梁物理结构与数字模型的映射，并完成桥梁模型数据初始化，如图所示。基于本研究设计的系统架构，实现了桥梁日常巡检业务、定期检查业务等功能模块在线化，如图、图 所示。系统构建了对应的系统数据库，可接入、分析桥梁巡检及结构健康监测数据，为桥梁结构评估、状态预警等功能的实现提供数据。基于大桥数字孪生模型，系统将预警信息、检查病害的统计信息通过标识挂接于结构上，实现数据联动，如图、图 所示。通过监测设备获取桥梁的车辆数据，实时加载在仿真模型中，得出关键参数的实时车辆荷载效应数据，并反馈至实景三维模型界面，如图 所示。图桥梁维养系统首页示意图桥梁日常巡检业务系统界面示意图 桥梁定期检查业务系统界面示意结语目前，桥梁维养系统的研究正在融合物联网、人工智能以及大数据等新兴技术，以期实现更图 桥梁预警信息界面示意图 桥梁病害统计分析示意图 桥梁结构实时响应计算示意高效地获取数据、挖掘数据特征，推动桥梁管养向“资产化”方向发展。数字孪生技术可实现物理实体在数字空间的精准映射，以数据为驱动实现物理世界和数字世界的互联互通以及操作控制。构建桥梁数字孪生模型，在此基础上实现桥梁管养数字化、智能化是桥梁运维模式发展的必然趋势。本研究面向跨海桥梁工程的维养需求，设计了跨海桥梁智能维养系统的总体架构、业务架构、应用架构、数据架构以及技术架构。实践证明，该系统架构为港珠澳大桥智能维养系统的研发提供了顶层设计与技术支撑，并可为其他同类型项目的维养系统研究提供参考。参考文献：裴岷山，陈艾荣桥梁管养信息化的发展与展望公路，（）：，：，（），（），（）：，赵进 公路桥梁养护决策与管理系统研究 长安大学，北京新桥技术发展有限公司 中国公路桥梁管理系统介绍 北京，刘天成，程潜，刘高，张秋信基于 平台的平塘特大桥结构健康监测信息融合技术研究公路，（）：，（）：，（）：孙利民，尚志强，夏烨大数据背景下的桥梁结构健康监测研究现状与展望中国公路学报，（）：王泳道，陈珍，何忠友，袁海金丹麦桥梁管理系统简介广东公路交通，（）：佚名大贝尔特桥的“数字大脑”：，（）：，（）：，公路 年第期 年第期夏子立等：基于数字孪生理念的跨海桥梁智能维养系统架构研究 ，中国信息通信研究院数字孪生城市研究报告北京，中国信息通信研究院 数字孪生城市白皮书 北京，王含笑，赵千，等 智能路面发展与展望中国公路学报，（）：孙棣华，李永福，刘卫宁，等 交通信息物理系统及其关键技术研究综述 中国公路学报，（）王维敏，孟雪 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